机电一体化技术及项目应用浅析

李艳　苏宁

摘要：塑料管可用于多种液体的输送管路，具有重量轻、耐腐蚀、不易结垢、阻力小和安装、维修都比较方便等优点，广泛应用在化工、农业、市政、建筑和矿产行业中。文章用二次优化的计算方法对线性等锥角岐管和可调间隙衣架式机头流道的几何参数进行了优化计算，在此基础上，通过更换口模、阻尼棒及口模调节装置、温度分区控制等机电一体化设计，成功开发了宽幅发泡挤出板机头。

关键词：衣架机头；优化计算；发泡板材；挤出

塑料管具有重量轻、耐腐蚀、不易结垢、阻力小和安装、维修都比较方便等优点。广泛应用在化工、农业、市政、建筑和矿产行业中。在国民经济中，以其独特的性能，在某些领域逐渐代替金属管材。目前，塑料管的应用在各类管材市场中的占有率达到50%以上。本文以塑料管挤出成型生产实例为依托，用较准确的工艺数据，介绍塑料管挤出成型用原料的选择、挤出成型管材工艺及工艺操作要点。以往对板材成型的关键部件挤板机头的设计带有一定的盲目性，多凭经验设计（特别是流道），要付出较大的经济代价，造成人力、物力和财力的浪费。机头设计时要考虑的因素很多，其目的就是如何保证聚合物熔体离开机头时具有均匀一致的流动性、熔体压力、温度和泡核。要实现这一目标，必须对机头流道的主要几何参数进行优化计算和机电有机结合，从多方面进行调节，以便连续均匀地挤出各种发泡板材。

1 机头流道几何参数的优化计算

1.1 对衣架式模头熔体流动机理进行系统分析的基础上，对衣架式模头中熔体的流动行为进行了合理的假设和简化，采用Hele-Shaw流动模型和幂率粘度模型，建立了衣架式模头内的非弹性、非牛顿熔体在等温条件下流动数学模型，将灵敏度分析理论与成型模拟技术结合运用于衣架式模头流道优化设计中，降低了衣架式模头的出口横向速率变化率。采用表征值方法根据等压线平行于模唇的流动模式，考虑歧管斜率的影响对衣架式模头圆形截面歧管系统的设计公式进行了改进，不但使模头结构设计与材料性能和流率无关，而且修正了以前文献中对歧管斜率的忽略所造成的流率分配误差，使流动均匀性指数增加到1。如在异型材挤出模具的压缩段与平直段之间加入了一个预成型段，以使型材截面上各个子区域可以具有不同的平直段长度，以达到调整流动均匀性的目的，根据研究内容和目标的不同，研究对象的区域也不同等。该方法采用的是有限体积法，优化分析时只考虑平直段长度一个设计参数，这对于复杂多变的挤出模流道设计来说是远远不够的。

1.2 几何模型衣架机头流道形状宽幅制品的挤板机头多采用衣架机头，在探讨衣架机头的优化计算时，选取成型工艺好、机械加工容易、应用较广的线性锥形岐管式衣架机头作为研究的几何模型。衣架部分几何参数的优化计算如下，衣架部分几何参数包括：岐管始端半径R0、岐管末端半径Rz、扇形部分缝隙厚度H和两岐管间夹角2θA。求解步骤如下：（1）按网格分析法将衣架机头在Z方向分割成N等分微元，在X方向分成8个区段。（2）设岐管半径按下面的线性方程变化。根据经验给出适当的约束条件，就可以编辑合适的优化计算程序。经优化计算后便可求出岐管始、末端半径R0和Rz，扇形部分缝隙厚度H和两岐管的夹角2θA。这样，机头衣架部分流道尺寸就被基本确定。

1.3 阻尼棒和模唇区几何参数的二次优化计算式（10）与物料的流变参数m，n，η，γ0，γ有密切关系，用它作为目标函数求得的衣架部分最佳几何参数受到一定的局限性。因为在实际成型加工过程中物料和工艺条件是不确定的，影响流变参数的因素很多，从生产实际出发要求所设计的机头流道参数有较强的通用性和较为广泛的适应性。为此需要在上述衣架部分流道几何参数优化计算的基础上，对机头其他部分流道尺寸（诸如阻尼棒区和模唇区的几何参数）进行二次优化计算，用此优化值设计或调节机头其他部分参数，使之适合不同物料和工艺的要求。

2 设计中的机电一体化

发泡板机头设计成衣架式结构，流道形状像衣架形。发泡板机头的基本要求是聚合物熔体沿流道宽度方向的流率均匀，能产生快速压力降，出口模时沿宽度方向熔体温度一致、压力一致、发泡率一致。要满足这一要求，在结构方面，除流道结构为衣架形外，对歧管的直径、歧管张角和缝隙高度等尺寸要进行优化计算。模唇可以更换以适应不同厚度制品和不同发泡率需要，同时设计有口模调节装置和阻尼棒及其调节装置，使得阻尼棒和模唇处的流道尺寸设计成可调的，适时调节熔体沿宽度方向的流率分布。但是，熔体在流道中的流动性除了与流道的结构与尺寸有关外，还与温度场分布密切相关。温度场由加热与冷却装置控制，考虑到模具和熔体在不同位置的传热和散热程度的不同，应将机头沿宽度方向分成多个加热与冷却区（本设计中1135m宽机头分为11个区），另外就是在上下口模中引进恒温油控制系统。实践证明，机械结构上的单方面考虑，还不能满足设计要求，只有机械设计方面的综合考虑，结合电气控制，才能有效地控制机头流道中熔体的压力分布和流速分布，实现连续均匀生产发泡塑料制品的需要。并能通过调节机械结构参数和电气控制参数实现不同厚度制品不同发泡率的要求。

3 挤出制品泡孔结构

挤管工艺流程塑料管材的种类很多，按照所用原料的不同、管材性能与结构的差异，可分为许多种工艺。原料为管材专用牌号的树脂，成型后能够满足管材性能指标要求的，可采用直接挤出工艺。为了检验本设计机头的实际应用情况，在挤出发泡生产线中反复调试，通过制品（发泡板材）的发泡成型情况来检验，为此做制品横断面（沿宽度方向）和纵向截面（沿流动方向）的扫描电镜。是两种螺杆转速时横断面的泡孔结构，两种螺杆转速时横断面的泡孔结构。

4 结束语

4.1 计算中采用非等温幂律流体的流动方程作为本构方程，这比以往等温模型更接近实际。当然也使计算难度加大，但计算的精度提高。在机头设计中，机头宽度方向分为数个温控区，各区温度均可独立控制，因而实际上流动是非等温的。采用半径呈线性变化的衣架岐管。这样大大方便了衣架机头的机械加工，便于在生产中推广应用。

4.2 能适用多种物料的挤出加工。在设计中，设置了调节装置。由于流道尺寸经过二次优化计算，加上实际挤出时还可通过调节装置适当调节流道的尺寸，就使新研制的衣架机头适合多种物料和制品的挤出，且能保证达到挤出制品的质量和产量。能为工艺条件的制定提供科学依据。因为用数值计算法可以预测衣架机头的压力、速度、停留时间分布以及挤出量，这就为挤出工艺条件的制定提供了第一手可靠资料。

4.3 能适用不同厚度和发泡率发泡板材的成型。设计中机电有机结合，除了优化设计流道主要几何尺寸外，通过调节口模调节装置、阻尼棒及调节装置、温度分区控制、更换模唇、口模恒温控制等多个环节，可满足一定范围内不同发泡制品的成型需要。机头的设计效果通过成型制品的泡孔结构得到了检验。

参考文献

[1]李倩，王利霞，申长雨.塑料型材挤出模具内熔体的流动行为分析[J].工程塑料应用，2001年11期.

[2]杨锋.异型材挤出模流道的设计[J].电加工与模具，2009年01期.

作者简介：李艳，女，毕业于沈阳航空学院机电一体化专业；现任黎明航空发动机（集团）有限责任公司质量技术员工程师。

苏宁，男，毕业于哈尔滨工程大学机械设计制造及其自动化专业，现任黎航部件公司作动筒工段技术工长助理工程师。